Принцип функционирования

Устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров

Рассмотрим подробнее устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров компаний ЗАО «ГИРООПТИКА» и Analog Devices. Рассматриваемые датчики выполнены по технологии MEMS, то есть представляют собой интеграцию:

· микромеханических чувствительных элементов угловой скорости или ускорения,

· электрической схемы первичной обработки информации, обеспечивающей управление, съем и предварительную обработку полезного сигнала микромеханического датчика.

Чувствительные элементы микромеханических гироскопов и акселерометров имеют различные конструктивные схемы с осями чувствительности, лежащими как в плоскости подвеса подвижной механической части, так и в плоскости перпендикулярной к ней. Данное обстоятельство позволяет сохранять плоскую форму электромеханической микросборки [17].

6.2.1 Микромеханические акселерометры ЗАО «ГИРООПТИКА»

На сегодняшний день компания ЗАО «ГИРООПТИКА» производит микромеханические акселерометры на основе чувствительных элементов маятникового и осевого типов (смотри рис. 6.1), соответственно.

Рис. 6.1. Чувствительные элементы маятникового и осевого типов

Микромеханический акселерометр маятникового типа

Конструкция

Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа приведена на рис. 6.2, сейсмическая масса с опорным элементом и торсионами на рис. 6.3 [17].

Рис. 6.2. Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа

Y

Y

Z

Z

Х

Рис. 6.3 Сейсмическая масса с опорным элементом и торсионами

Рис. 6.4. Пространственная модель сейсмической массы

Микромеханический акселерометр представляет собой капсулированный элемент, образованный корпусом 1, выполненным в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента и диэлектрической крышки 7. Крышка скреплена с корпусом 1.

Основой акселерометра является монокристаллический кремниевый элемент – маятник размерами 0,8х1,0х0,015 мм (так называемая сейсмическая масса 2). Сейсмическая массой 2 подвешена с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках – торсионах 3 за опорный элемент 6. Торсионы представляют собой устройство демпфирования сечением 12х15 мкм, которое позволяет сейсмической массе останавливаться при полном диапазоне колебаний, защищая устройство от механического удара. Сейсмическая масса, торсионы и опорный элемент выполнены в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия.

Внутрь корпуса закачивается газовая смесь, которая обеспечивает демпфирование собственных колебаний сейсмической массы 2. Крышка также выполняет функцию ограничителя перемещений сейсмической массы 2 при вибрационных и ударных воздействиях.

Напыленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты выполнены единым элементом и в совокупности представляют собой электронную схему обработки сигналов.

Для данного варианта конструкции ось чувствительности ортогональна плоскости чувствительного элемента. Маятник изготовлен вместе с упругими торсионами по технологии "кремний на стекле" (смотри рис. 6.4) [3].

Принцип функционирования

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х сейсмическая масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются величины емкостей конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и сейсмической массой 2. Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Сигнал отклонения преобразуется электронной схемой и приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить сейсмическую массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сигнал с выхода электронной схемы является выходным сигналом микромеханического акселерометра.

График зависимости перемещения чувствительного элемента маятникового типа от преобразуемого им линейного ускорения приведен на рисунке 6.5 [3].

Рис. 6.5. График зависимости перемещения сейсмической массы акселерометра маятникового типа от воздействия линейного ускорения  

Дата добавления: 2015-10-29